ARM+PCL6045B的嵌入式運動控制器設(shè)計
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運動控制器是運動控制系統(tǒng)的核心部件。目前，國內(nèi)的運動控制器大致可以分為3類：
第1類是以單片機等微處理器作為控制核心的運動控制器。這類運動控制器速度較慢、精度不高、成本相對較低，只能在一些低速運行和對軌跡要求不高的輪廓運動控制場合應(yīng)用。
第2類是以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運動控制器，這類運動控制器結(jié)構(gòu)比較簡單，大多只能輸出脈沖信號，工作于開環(huán)控制方式。由于這類控制器不能提供連續(xù)插補功能，也沒有前饋功能，特別是對于大量的小線段連續(xù)運動的場合不能使用這類控制器。
第3類是基于PC總線的以DSP或FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器。這類開放式運動控制器以DSP芯片作為運動控制器的核心處理器，以PC機作為信息處理平臺，運動控制器以插件形式嵌入PC機，即“PC+運動控制器”的模式。這樣的運動控制器具有信息處理能力強，開放程度高，運動軌跡控制準確，通用性好的特點。但是這種方式存在以下缺點：運動控制卡需要插入計算機主板的PCI或者ISA插槽，因此每個具體應(yīng)用都必須配置一臺PC機作為上位機。這無疑對設(shè)備的體積、成本和運行環(huán)境都有一定的限制，難以獨立運行和小型化。
針對這些問題，設(shè)計了一種基于ARM+DSP的嵌入式運動控制器。該控制器將嵌入式CPU與專用運動控制芯片相結(jié)合，將運動控制功能以功能模塊的方式嵌入到ARM主控板的架構(gòu)，把不需要的設(shè)備裁減掉，既兼顧功能又節(jié)省成本。該控制器是一種可以脫離上位機單獨運行的一種獨立型運動控制器，具有良好的應(yīng)用前景。
1 嵌入式運動控制器的硬件平臺設(shè)計
嵌入式運動控制器的硬件主要包括兩個部分：ARM主控板和DSP運動控制板。這兩塊控制板通過通用I／O口以總線的方式連接在一起。在設(shè)計時，可以分別對ARM主控板和DSP運動控制板進行設(shè)計，最后再調(diào)試。這種將ARM主控板和DSP運動控制板分開設(shè)計和調(diào)試的硬件方案，將設(shè)計難點分散，使設(shè)計和調(diào)試更簡單。
1．1 ARM主控板部分
本系統(tǒng)采用的ARM芯片為Samsung公司推出的16／32位RISC處理器S3C2440A，主頻為400 MHz，最高頻率可達533 MHz。ARM主控板以嵌入式處理器S3C2440A為核心，外擴存儲器和通用設(shè)備接口。ARM主控板的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
通過通用I／O接口與DSP運動控制板通信，實現(xiàn)ARM主控板與運動控制板之間數(shù)據(jù)的實時雙向傳送；外部NAND Flash存儲器(64 MB)，用于存儲系統(tǒng)參數(shù)及運動指令；NOR Flash存儲器(2 MB)，用于存放系統(tǒng)運行程序；SDRAM存儲器(64 MB)，用于存放臨時數(shù)據(jù)；通過串口、以太網(wǎng)接口、USB接口與上位機系統(tǒng)通信，實現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)的傳送；通過LCD接口，實現(xiàn)320×240分辨率液晶屏的圖形與字符顯示，并具有觸摸屏接口，提供友好的人機交互界面；通過I／O擴展接口，提供可編程的數(shù)字I／O通道；通過JTAG接口與PC機通信，實現(xiàn)系統(tǒng)運行程序的仿真調(diào)試及下載，軟件升級接口。
1．2 DSP運動控制板部分
本系統(tǒng)DSP運動控制芯片選用PCL6045B。PCL6045B是一種功能十分強大的DSP運動控制芯片。芯片能夠控制四軸，并實現(xiàn)兩軸到四軸直線差補、兩軸圓弧差補。所有插補計算由芯片完成，上位機只需寫入圓弧的參數(shù)即可，其多軸插補控制功能特別優(yōu)秀。系統(tǒng)硬件采用主從式雙CPU結(jié)構(gòu)模式。主CPU為ARM處理器，負責(zé)鍵盤、顯示、網(wǎng)絡(luò)通信等管理工作；從CPU為PCL6045B運動控制芯片，專門負責(zé)運動控制的處理工作。PCL6045B與ARM的通信是靠讀寫I／O總線上的幾個地址來進行指令和數(shù)據(jù)的傳輸?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
1．3 ARM處理器與運動控制芯片的連接
通過設(shè)置引腳IF0與IF1，PCL6045B芯片與不同的CPU相連，如表1所列。
本系統(tǒng)設(shè)置IF1：IF0=0：1，CPU連接如圖3所示。
2 嵌入式運動控制器的軟件設(shè)計
本系統(tǒng)可根據(jù)被控對象的特征設(shè)計不同的模塊化用戶軟件，來滿足不同的運動控制任務(wù)。模塊化軟件恰好是Linux操作系統(tǒng)的優(yōu)點。Linux還可以根據(jù)用戶的需求實現(xiàn)內(nèi)核的裁減和定制，源碼開放，網(wǎng)絡(luò)支持功能強大，價格上也更具有競爭優(yōu)勢等。所以該控制器選用Linux作為片上系統(tǒng)(SoC)。但是，Linux并不是一個實時操作系統(tǒng)，因此，通過實時內(nèi)核補丁RTAI(Real Time Application In-terface)，在硬件平臺的基礎(chǔ)上增加一個實時內(nèi)核，將Linux內(nèi)核當(dāng)作它的優(yōu)先級最低的任務(wù)執(zhí)行，從而保證運動控制系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)的控制軟件分為兩個區(qū)域：非實時域和實時域。非實時域是建立在普通Linux內(nèi)核基礎(chǔ)上的，其主要包括系統(tǒng)初始化和通信模塊。
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